Calçado de exoesqueleto para melhorar a caminhada

A claudicação devido à doença arterial periférica (DAP) faz com que os pacientes andem menos e mais devagar, percam a independência nas atividades da vida diária e sejam sedentários em comparação com seus colegas saudáveis. A pesquisa dos investigadores identificou limitações funcionais nos padrões de caminhada de pacientes com claudicação. O déficit mais proeminente e consistente é dos músculos posteriores da panturrilha, os flexores plantares do tornozelo, para gerar torque e força saudáveis ​​no tornozelo durante a caminhada. Trabalhos anteriores no laboratório dos pesquisadores estabeleceram que esses déficits funcionais estão relacionados à presença de uma miopatia nas pernas de pacientes com DAP, caracterizada por degeneração das miofibras e fibrose muscular. Uma intervenção que compense a fisiologia e o desempenho muscular prejudicados é necessária para melhorar a capacidade de caminhar e a independência em pacientes com DAP.

O objetivo de longo prazo deste projeto é melhorar a qualidade de vida de pacientes com DAP usando exoesqueletos assistivos. Atualmente, existe uma lacuna crítica no tratamento para aqueles pacientes com DAP cuja apresentação da doença não justifica revascularização cirúrgica (com base na análise de risco-benefício que considera múltiplos fatores, incluindo gravidade da doença, comorbidades e risco operatório), mas que desejam recuperar a marcha habilidade e independência. As órteses tornozelo-pé foram recentemente implementadas para reduzir as demandas de torque biológico do flexor plantar do tornozelo e para compensar a deficiência de energia. O torque/potência biológica do tornozelo é o torque/potência gerado pelos músculos flexores plantares além daquele fornecido por um dispositivo auxiliar. Os pesquisadores desenvolveram uma combinação de calçado e exoesqueleto elástico imprimível em 3D leve e de baixo custo, chamada calçado de exoesqueleto (EF). O EF auxilia no impulso usando molas que imitam as forças plantarflexoras do tornozelo. Os exoesqueletos que auxiliam a propulsão abordam tanto a miopatia quanto os problemas de baixo fluxo sanguíneo associados à claudicação. A força mecânica da FE compensa a força de propulsão muscular insuficiente, ao mesmo tempo em que diminui a demanda de fluxo sanguíneo e o estresse muscular causado pela isquemia. Um exoesqueleto adequadamente projetado provavelmente permitirá que os pacientes com DAP caminhem mais tempo sem dor ou caminhem a distância necessária para completar as atividades diárias com menos estresse para a perna afetada. Como primeiro passo, os pesquisadores propõem determinar o efeito da FE no desempenho da caminhada, focando em como diferentes níveis de suporte de FE contribuem para mudanças no torque e potência biológica do tornozelo, custo de energia e oxigenação muscular da panturrilha. Os investigadores testarão idosos saudáveis ​​para garantir e confirmar conforto, baixo risco de lesões no pé e na panturrilha e alto potencial para adoção de dispositivos em pacientes com DAP.

A FE será então avaliada em pacientes com DAP. Idosos saudáveis ​​são selecionados para a fase inicial do projeto porque, assim como pacientes com DAP, eles produzem menos força e torque de impulsão durante a caminhada em comparação com jovens saudáveis; tornando-os um modelo apropriado para as limitações do PAD. Além disso, em comparação com pacientes com DAP, idosos saudáveis ​​podem tolerar testes de caminhada mais longos, que são necessários para identificar parâmetros eficazes do dispositivo e também têm um risco significativamente menor de desenvolver lesões no pé e na panturrilha, enquanto o conforto e a forma do EF são avaliados e ajustados para acomodar indivíduos com diferentes morfologias de pés e pernas.

Hipótese: O desempenho da caminhada melhorará com a FE em idosos saudáveis ​​e pacientes com DAP. Os investigadores supõem que haverá um nível de assistência EF para satisfazer a preferência relatada pelo sujeito e as metas de desempenho de caminhada.

Objetivo Específico 1: Determinar os níveis de força de assistência EF que produzem melhor desempenho na caminhada em idosos. As melhorias no desempenho da caminhada serão avaliadas medindo como diferentes níveis de assistência de EF contribuem para mudanças no torque biológico do tornozelo e na potência durante o push-off, o custo energético da caminhada e a oxigenação muscular da panturrilha durante a caminhada.

Objetivo Específico 2: Determinar os níveis de força de assistência EF que produzem melhor preferência relatada pelo sujeito em sujeitos mais velhos. A preferência será medida usando escalas visual-analógicas, esforço percebido e questionários de dor, e pesquisas em estilo de entrevista sobre aceitabilidade (satisfação, intenção de usar), demanda (demanda percebida) e praticidade (efeitos, capacidade dos participantes de usar EF).

Objetivo Específico 3: Determinar o efeito dos níveis de assistência de FE no desempenho da caminhada e na preferência relatada pelo sujeito em pacientes com DAP. Os resultados dos Objetivos 1 e 2 orientarão os níveis de atendimento testados neste objetivo.

Projeto de pesquisa e métodos Idosos saudáveis ​​serão avaliados em um total de sete condições nos Objetivos #1 e #2: cinco diferentes níveis de rigidez EF, incluindo EF: Rigidez 1 (5,6 kN/m), Rigidez EF 2 (7,9 kN/m), EF Rigidez 3 (10,5 kN/m), EF Rigidez 4 (13,3 kN/m), EF Rigidez 5 (17,2 kN/m), EF com uma mola desengatada e uma condição de caminhada normal (sem EF).

Os pacientes com DAP serão avaliados em quatro condições no Objetivo #3: dois níveis diferentes de rigidez EF, uma condição em que os sujeitos usarão o EF com uma mola desengatada e uma condição de caminhada normal (sem EF). A rigidez da mola será ajustada em função da massa corporal para fornecer uma entrada de torque normalizada entre os indivíduos. Esses níveis de rigidez foram escolhidos com base em pesquisas anteriores usando um dispositivo semelhante em indivíduos jovens saudáveis. O EF será ajustado para liberar a mola em 42% da passada. Aumentos no custo de energia em valores de rigidez acima e abaixo do valor ideal serão um indicador de que os níveis de rigidez estão dentro da escala apropriada. Idosos saudáveis ​​e pacientes com DAP serão testados para determinar o efeito da força de assistência EF no desempenho da caminhada e no custo de energia e na preferência relatada pelo sujeito com níveis variados de assistência EF

Um total de 50 adultos, com idade igual ou superior a 50 anos, do Centro Médico de Assuntos de Veteranos de Nebraska e Western Iowa (VAMC) e da comunidade vizinha de Omaha para concluir os Objetivos 1 e 2 serão recrutados. O objetivo 3 incluirá 25 pacientes com DAP recrutados do VAMC.

Protocolo de coleta de dados para os objetivos nº 1 e nº 2:

Caminhada: os participantes completarão sete minutos de caminhada em sua velocidade de caminhada preferida em uma esteira instrumentada (AMTI, Watertown, MA), enquanto a cinética e a cinemática são capturadas a 100 Hz com um sistema de captura de movimento digital de 17 câmeras (Cortex 6.2, Motion Analysis Corp, Santa Rosa, CA). Os três minutos de caminhada servirão para que os sujeitos se acostumem com o novo nível de assistência no EF. A velocidade de caminhada preferida será determinada antes da coleta de quaisquer dados e será mantida consistente nas sete condições.

O sujeito também andará em terreno plano em sete condições diferentes.

Oxigenação muscular: A oxigenação bilateral do músculo gastrocnêmio (StO2) será medida usando espectroscopia de infravermelho próximo de onda contínua (PortaMon, Artinis Medical System, Holanda) antes, durante e após cada condição de caminhada em esteira (descrita acima).

Custo de energia: Um carrinho metabólico portátil será usado para medir a troca gasosa respiração a respiração, fornecendo uma medida do consumo de oxigênio durante cada uma das sete condições de caminhada na esteira.

Percepção de conforto e fadiga: Uma escala analógica visual será usada para capturar a percepção de conforto e fadiga dos sujeitos após cada esteira e condição de solo plano. A escala analógica visual irá variar de 0 (baixo conforto; alta fadiga) a 10 (alto conforto; baixa fadiga).

Taxa de esforço percebido: Os valores de esforço percebido auto-relatados da escala Borg de esforço percebido (6 (sem esforço) a 20 (esforço máximo)) serão registrados após cada condição.

Protocolo de coleta de dados para Objetivos nº 3:

O desempenho da caminhada e a preferência relatada pelo sujeito serão avaliados da mesma maneira que nos Objetivos 1 e 2, exceto que o teste de caminhada em esteira será substituído por testes de distância máxima de caminhada (consulte a descrição abaixo). Por esse motivo, os testes serão divididos em dois dias, com dois testes de distâncias máximas de caminhada concluídos em cada dia. Os indivíduos descansarão até que qualquer dor de claudicação desapareça entre cada teste de distância máxima de caminhada. Os sujeitos completarão o teste dos mesmos resultados (1-7 abaixo) exatamente como descrito nos Objetivos 1 e 2 e tempos máximos de caminhada (8 abaixo). Os tempos máximos de caminhada são o melhor indicador das implicações da DAP na capacidade de caminhada diária e na participação em atividades comunitárias.

Todos os resultados do protocolo do sujeito mais velho serão avaliados para pacientes com DAP, incluindo 1) caminhada: No teste de esteira, serão coletadas variáveis ​​biomecânicas durante a parte de inclinação de zero grau do teste. O tempo de descanso será dado entre as condições conforme necessário para que a dor da claudicação diminua.

2) Oxigenação muscular, 3) Custo energético, 4) Percepção de conforto e fadiga, 5) Taxa de esforço percebido, 6) Viabilidade.

Dois resultados adicionais medidos para os pacientes com DAP serão:

Dor percebida: Seguindo a abordagem de conforto percebido e fadiga, uma escala analógica visual será usada para capturar a percepção de dor dos sujeitos após cada condição. A escala analógica visual irá variar de 0 (sem dor) a 10 (dor intensa) e será avaliada após cada condição de EF.

Início da claudicação e tempos máximos de caminhada: A capacidade de caminhada será determinada com um teste de esteira de carga progressiva com distâncias iniciais e máximas de claudicação como resultados. Os pacientes caminharão em uma esteira que começa com 0% de inclinação e 2,0 mph. A cada dois minutos, a inclinação será aumentada em 2% até o máximo de 15% de inclinação, sendo a velocidade mantida constante durante todo o teste. A distância inicial percorrida antes do início da dor (Claudication Onset Time - COT) e a distância que os pacientes caminharam até a interrupção do teste devido à dor (Peak Walking Time -PWT) serão as medidas de desfecho.